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Programme détaillé - Phase 2 (2015-2020)

Nos infrastructures de transport jouent un rôle important dans le développement social et économique du pays. Le passage répété des charges lourdes et les facteurs climatiques sont souvent identifiés comme étant les deux causes majeures de la dégradation de ce patrimoine. Des progrès importants ont été faits dans les dernières années, tant sur le plan scientifique qu’au niveau de l’état des infrastructures de transport au Canada. Sur le plan scientifique, on assiste présentement à une évolution rapide des méthodes de conception et des méthodes de formulation des matériaux routiers. Alors qu’il y a à peine 5 ans on utilisait essentiellement des méthodes empiriques, les méthodes se développent rapidement sur des fondements mécanistes faisant appel aux lois de comportement mécanique des matériaux et des systèmes multicouches. On intègre par ailleurs de plus en plus d’additifs sophistiqués issus du développement de matériaux polymères et des nanotechnologies dans les matériaux traditionnels routiers. Les technologies d’auscultation, d’instrumentation et de contrôle de qualité ont également progressé à un rythme tel qu’on parle maintenant de routes et de systèmes de gestion « intelligents ».   Durant cette même période de cinq ans, des investissements considérables des administrations routières ont permis une amélioration sentie de la condition de nos infrastructures. Par exemple, le Ministère des Transports du Québec rapporte une réduction de la proportion de routes déficientes de 32,3% en 2008-2009 à 21,6% en 2012-2013 sur son réseau supérieur (MTQ, 2013).

Malgré cette évolution remarquable des technologies et de la condition des infrastructures de transport, les enjeux et les défis demeurent importants. Les statistiques encourageantes publiées pour le réseau du MTQ et pour d’autres provinces Canadiennes cachent un important problème au niveau des infrastructures locales et municipales dont l’état continue à se dégrader. Selon une étude de la firme Deloitte (Deloitte 2012), le déficit en infrastructures municipales au Québec seulement atteindrait $34,2 milliards en 2011, dont plus de 30% serait attribuable à la voirie. La proportion de la voirie locale à réhabiliter serait de l’ordre de 54%.   Le constat fait il y a cinq ans dans la proposition pour la Chaire de recherche i3C est toujours d’actualité : «Le Canada vit présentement une crise sans précédent de l’état de ses infrastructures. Sans un investissement massif combiné à des développements technologiques importants, il sera difficile pour le Canada de sortir de cette crise ». L’innovation en ingénierie des chaussées demeure donc pertinente et nécessaire. Haas (2010) souligne l’importance de l’innovation et identifie 14 domaines où les défis de recherche sont importants et les opportunités sont nombreuses. Parmi ceux-ci, notons la conception structurale sur des fondements mécanistes-empiriques et l’analyse du cycle de vie; l’étude et la modélisation de la dégradation des chaussées; les technologies d’auscultation ainsi que la gestion et l’analyse des données produites; le choix de techniques d’intervention et l’analyse du bénéfice; ainsi que plusieurs autres domaines.

Le programme de recherche proposé s’inscrit donc dans la continuité du programme de la phase I de la Chaire i3C tout en s’adaptant au nouveau contexte d’exploitation et aux nouveaux enjeux en ingénierie des chaussées. Le programme, axé sur le comportement des matériaux et des structures de chaussées sous l’action des charges lourdes en contexte climatique rigoureux, comporte 10 projets impliquant 15 étudiants (3 PhD, 7 MSc et 5 projets de Baccalauréat) regroupés sous trois thèmes : 1) la conception et la performance des chaussées, notamment dans le contexte des routes locales et des routes d’accès aux ressources, ainsi que dans le contexte municipal; et 2) l’analyse de l’effet des charges lourdes et 3) Endommagement des chaussées en régions froides : Mécanismes et solutions. Ce dernier thème implique une collaboration étroite avec l’industrie pour le développement de solutions pratiques aux problèmes de comportement des chaussées en régions froides. Il sera donc traité séparément dans un programme de recherche en partenariat (RDC) avec des partenaires industriels ayant un intérêt spécifique pour les cinq projets proposés dans le cadre de ce programme.

 

 

Thème 1 : Conception et performance des chaussées

Le rendement des investissements routiers passe par la maîtrise de la performance des chaussées sollicitées par le trafic lourd dans un contexte climatique rigoureux. Tant au Québec que dans le reste du Canada, la recherche d’un rendement maximum implique de considérer la nécessaire intégration des réseaux municipaux, privés et provinciaux sur lesquels circulent, sans distinction, les personnes et les marchandises. Comme partout en Amérique du Nord, les administrations routières canadiennes sont présentement confrontées à l’intégration de nouvelles pratiques de conception des chaussées fondées sur des principes mécanistes-empiriques (Ahammed et coll., 2012). Les nouvelles approches proposées reposent sur le calcul des déformations dans la chaussée sous une charge de référence (modèles de comportement mécaniques) et sur la prédiction de l’endommagement spécifique (lois empiriques d’endommagement) (Li et coll., 2011). Les modèles de comportement mécaniques utilisent généralement des solutions analytiques en considérant le comportement d’un système multicouche au comportement élastique non-linéaire. Ces modèles sont reconnus et éprouvés, mais peuvent néanmoins être bonifiés en utilisant des modèles numériques qui permettent de prendre en considération la géométrie du système et le comportement non-élastique des sols et des matériaux de chaussées (Costescu et coll., 2012). Le principal défi se trouve cependant dans le développement de lois d’endommagement adaptées aux conditions d’exploitation des chaussées traitées. Les lois sont essentiellement empiriques et spécifiques au mode d’endommagement considéré : Orniérage, fissuration de fatigue, fissuration thermique, etc. Le développement de lois d’endommagement qui font davantage intervenir les lois physiques qui gouvernent l’endommagement et le calage des lois d’endommagement aux conditions d’exploitation Canadiennes est une condition essentielle à l’implantation de modèles M-E de conception des chaussées au Canada.

Les projets regroupés sous ce thème ont pour objectif le développement des connaissances et des outils nécessaires à la maîtrise de la performance des chaussées routières des réseaux provinciaux et municipaux ainsi que des réseaux de routes d’accès aux ressources. La revue de l’état des connaissances et la consultation des partenaires de la Chaire industrielle a permis d’élaborer les projets de recherche suivants :

 

Projet 1.1 : Endommagement et conception M-E des chaussées en régions froides (1 PhD; 2 PB)

Problématique : La phase 1 du programme i3C a permis de développer un modèle de conception de chaussées fondé sur les meilleurs modèles mécaniste-empirique disponibles intégrant plusieurs nouveautés dont un critère de soulèvement différentiel (Bilodeau et coll., 2013); un outil de correction pour le trafic typique du contexte municipal (Quijano et coll., 2010) ainsi que plusieurs utilitaires d’estimation des propriétés (Mellizo et coll., 2010; Tafur et coll., 2013). Cette première phase a également permis de constituer une base de données de comportement de chaussées municipales avec quelques années de données de performance. La méthode de conception doit être améliorée, notamment au niveau de la prise en compte du comportement saisonnier et au niveau des lois d’endommagement. Dans le premier cas, les modèles de conception existants utilisent généralement des facteurs empiriques de correction des modules selon la saison obtenus généralement par mesures au déflectomètre. Dans le cas des lois d’endommagement, la plupart des modèles existants utilisent des lois dérivées d’essais routiers américains, notamment de l’essai de l’AASHTO réalisé à la fin des années 50, dans des conditions climatiques modérées.

Objectifs : Le projet vise à compléter le développement d’une méthode détaillée de conception des chaussées adaptée aux conditions climatiques canadiennes par l’ajout de fonctions de variations saisonnières et de lois d’endommagement adaptées aux conditions canadiennes. Plus particulièrement, le projet vise les objectifs spécifiques suivants :

  • La mise au point de fonctions mécanistes de variation saisonnière des propriétés mécaniques des sols et des matériaux de chaussées pour supporter l’analyse d’endommagement pondéré par saison des chaussées
  • La mise au point de lois d’endommagement empiriques (fonctions de transfert) adaptées aux contextes nordiques
  • Intégration des outils développés dans le modèle de conception mécaniste-empirique i3C-ME.

Méthodologie : Pour atteindre les objectifs proposés, le projet comportera les activités de recherche suivantes :

1.     Le développement d’un modèle rigoureux de prise en compte des variations saisonnières des propriétés mécaniques des sols et des couches de chaussées : Les modèles de conception existants utilisent généralement des facteurs empiriques de correction des modules selon la saison obtenus par mesures au déflectomètre. Les modèles plus sophistiqués utilisent une relation entre la teneur en eau et le module réversible. On fait alors l’hypothèse que les sols et les matériaux de chaussées sont à l’état optimal dans des conditions sèches et à un état proche de la saturation au printemps et lors de précipitations importantes. Des études récentes ont cependant démontré que le gel avait pour effet de disloquer la structure des sols et des matériaux granulaires et d’affecter considérablement leurs propriétés mécaniques (Bilodeau et coll., 2011; Doré, 2004; Juneau, 2004). Cette activité vise donc à intégrer le potentiel de ségrégation à une loi de comportement faisant intervenir l’action de l’eau et l’action du gel dans le comportement saisonnier des sols et des matériaux de chaussées. Cette intégration se fera en exploitant des résultats d’essais réalisés dans le cadre de la phase 1 de la chaire et en réalisant une campagne d’essais additionnels pour déterminer la relation entre le gonflement au gel, la teneur en eau et le module réversible en intégrant le comportement des matériaux à l’état limite pour les conditions critiques de sollicitation des matériaux.

2.     Développement de lois d’endommagement : cette partie du projet reposera sur le développement de lois d’endommagement par fatigue et par déformation permanente des chaussées prenant en considération les mécanismes d’endommagement en cause. Dans le cas de l’endommagement par fatigue, les modèles existants prennent en considération la déformation en traction (induite par flexion) et le module (associé au comportement fragile) du béton bitumineux. Les travaux récents réalisés au Laboratoire des chaussées et des matériaux bitumineux de l’École de Technologie Supérieure (Perraton et coll., 2003 et 2010) ont contribué à améliorer considérablement les connaissances sur le comportement en fatigue des enrobés à basse température. Les connaissances développées dans le cadre de ces travaux permettront de mettre au point une loi d’endommagement qui prend en considération le comportement des enrobés à basse température ainsi que l’effet de l’eau et de la saumure sur le comportement en fatigue. Par ailleurs, le comportement en déformation permanente des matériaux granulaires (Bilodeau et coll., 2011; Bilodeau et coll., 2012) ainsi que le comportement en déformation permanente des sols d’infrastructure (travaux de doctorat en cours par Y. Djonkamla) serviront de base à l’établissement d’une loi d’endommagement en déformation permanente pour les systèmes de chaussées multicouches. Le modèle permettra de prendre en considération des facteurs comme l’état de contrainte et la teneur en eau dans le calcul de l’évolution de l’orniérage en fonction du nombre d’applications de charge.

3.     Les lois développées dans l’activité 2 du projet seront soumises à deux étapes de calage. Dans un premier temps, les coefficients empiriques des modèles seront calés lors d’essais en vraie grandeur dans la fosse d’essai FCI de l’Université Laval sous chargement répété par le simulateur FCI. Lors des essais, un cycle complet de gel et de dégel de la chaussée sera effectué pour déterminer les taux de progression saisonniers des deux types d’endommagement. La chaussée construite dans la fosse sera instrumentée pour mesurer les variables mécaniques importantes du modèle (contrainte et/ou déformation) ainsi que les paramètres d’état des couches de la chaussée (température et teneur en eau) et le simulateur routier sera mis à profit pour le développement de ces fonctions. Lorsque les coefficients expérimentaux seront déterminés, les modèles seront validés en utilisant les bases de données de comportement de chaussées du MTQ et de la Chaire i3C. L’information détaillée d’une vingtaine de sites échantillonnés dans ces deux bases de données sera utilisée pour calculer les contraintes et déformations induites par une charge standard (utilisée dans le cadre des essais au simulateur) pour prédire le comportement de la chaussée en utilisant le modèle. Un coefficient de calage sera alors calculé pour ajuster la prédiction des modèles aux dégradations observées sur les sites expérimentaux.

4.     Les modèles développés dans le cadre du projet seront intégrés au logiciel i3C-ME pour permettre la conception de chaussées en utilisant des lois d’endommagement adaptées aux conditions d’exploitation québécoises et canadiennes.

Le projet sera réalisé par un étudiant au doctorat. Deux projets portant sur l’analyse des données lors des essais expérimentaux visant le développement des lois d’endommagement seront par ailleurs proposés à des étudiants au baccalauréat pour supporter le travail de l’étudiant au doctorat.

 

Projet 1.2 : Détermination des propriétés mécaniques des sols et des matériaux de chaussées à l’aide du déflectomètre portable (LWD) (1 MSc)

Problématique : Dans un contexte où la conception mécaniste-empirique des chaussées devient la pratique privilégiée en Amérique du Nord, la connaissance précise du comportement des couches de la chaussée est généralement requise comme intrant aux méthodes de dimensionnement. Le module réversible, associé à la rigidité, est un paramètre aujourd’hui bien documenté et le plus souvent déterminé en cellule triaxiale. Les travaux des cinq dernières années de la Chaire ont mis en évidence le  besoin de développer des méthodes pour la détermination rapide et fiable des modules spécifiques aux sols ou matériaux considérés (Tafur et al. 2013). Le déflectomètre portable est un appareil de plus en plus utilisé en raison de son coût peu élevé et de sa facilité d’utilisation. Cet outil permet de solliciter le matériau par une courte impulsion de charge qui induit une déformation similaire à celles engendrées par le passage des véhicules lourds en surface des chaussées. Cet outil est presque exclusivement utilisé pour caractériser le module réversible, mais il permet aussi d’exploiter l’information sur l’historique de charge et de déflexion et d’en déduire le cheminement contrainte-déflexion. Il offre donc la possibilité d’étudier le comportement non-élastique et l’endommagement, notamment par le concept d’énergie dissipée. Le caractère portatif de cet outil permet de faire des essais sur le terrain, notamment dans des endroits à accès restreint, et permet d’avoir une bonne productivité (Fleming et al. 2000; Livneh et Goldberg 2001). Quelques travaux de recherche se sont aussi penchés sur son applicabilité en laboratoire pour déterminer le module réversible en remplacement de l’essai triaxial (Tafur et al. 2013; Davich et al. 2006). Cet outil émergent commence aussi à être utilisé comme outil de mesure de la rigidité des couches granulaires lors de la construction aux fins de validation du dimensionnement ou comme outil de mesure de l’uniformité de la mise en place et de la compaction en chantier (Depatie 2013; Livneh et Goldberg 2001). Ces applications sont très prometteuses et actuellement sous-exploitées.

Objectifs : Le projet a pour objectif principal le développement d’une méthodologie d’utilisation du LWD pour la caractérisation avancée des propriétés des matériaux de chaussées. Les objectifs spécifiques du projet sont les suivants :

  • Mise au point d’une approche  de mesure des propriétés mécaniques en-place des sols et matériaux granulaires de la chaussée et établissement de relations entre les propriétés en place et les méthodes de mise en œuvre sur le chantier
  • Établissement d’un lien entre le comportement en déformation permanente des sols et des matériaux granulaires et l’interprétation des historiques de chargements contrainte-déflexion obtenus au LWD.  

 

Méthodologie : Le projet comportera une mise à jour de l’état de l’art sur l’utilisation de cet appareil par les diverses agences de transports, les firmes de consultant et les organismes de recherche. Cette étape servira à rassembler les standards, les procédures et les méthodes utilisées pour la caractérisation des couches de chaussées. La revue de documentation permettra de mettre à jour les connaissances sur l’utilisation de cet appareil pour la caractérisation du comportement rhéologique des matériaux de chaussées et d’identifier les caractéristiques des matériaux associées au comportement non-élastique. Le projet comportera par la suite deux activités principales :

1.     Un suivi de la construction de 3 structures de chaussées permettra d’atteindre le premier sous-objectif du projet. Des essais au LWD seront réalisés selon un espacement serré et en fonction du nombre de passes de compacteur pour mesurer la variabilité des propriétés à la mise en place, mesurer le potentiel d’application de l’outil pour l’atteinte du comportement optimal et comparer la rigidité mesurée en chantier avec les valeurs par défaut utilisées dans les logiciels de conception. Des essais de module réversible sur les matériaux de chaussées échantillonnés sur les chantiers seront effectués en laboratoire et utilisés pour définir des valeurs référence pour la rigidité. L’approche développée permettra entre autres d’ajuster la méthode de construction, de modifier la structure d’une chaussée ne rencontrant pas les exigences structurales ou de faire une évaluation du préjudice.

2.     Dans le cas du second sous-objectif, des essais de LWD sur des échantillons de laboratoire de sols et granulats, mis en place dans des cuves de laboratoire de grande dimension, seront réalisés afin de mesurer le comportement élastoplastique ou viscoélastique de matériaux typiques pour des conditions de teneur en eau variables. Les historiques contrainte-déflexion seront analysés en détails sur la base de la théorie de l’énergie dissipée ou du déphasage. Pour les mêmes matériaux, des essais de déformation permanente seront réalisés pour les mêmes conditions (contrainte, teneur en eau) afin de déterminer la relation entre les paramètres des lois d’endommagement par déformation permanente et l’énergie dissipée ou l’angle de phase, obtenus lors d’essais de déflexion. Un essai de simulateur de charge roulante de laboratoire sera utilisé pour valider et calibrer les relations identifiées pour trois matériaux de chaussées typiques (fondation MG20, sous-fondation MG112 et sol argileux). Ce projet permettra en finalité d’arriver à définir la résistance à la déformation permanente directement à partir d’essais de LWD in situ sur les sites de construction ou de réhabilitation routière pour les conditions en place.

Ces activités seront réalisées dans le cadre d’un projet de maîtrise.

 

Projet 1.3 : Mise en œuvre et bonification des matériaux de fondation recyclés (1 MSc)

Problématique : Les travaux réalisés dans le cadre de la phase 1 de la Chaire i3C ont permis d’identifier certains problèmes relatifs au comportement mécanique et à la mise en œuvre des matériaux de fondation recyclés par procédé de retraitement en place. D’une part, ils sont difficiles à densifier lorsque la couche retraitée excède 200 mm. Des travaux de la Chaire i3C (Depatie 2013) ont d’ailleurs montré que ce phénomène peut impliquer une augmentation de 5% du taux de déformation permanente en comparaison avec des matériaux granulaires standards. D’autre part, les matériaux contenant des proportions élevées en granulats bitumineux sont sensibles à la déformation permanente (Saeed 2008; Koostra et al. 2010; Kim et Labuz 2007). À ce sujet, les travaux de la Chaire i3C ont montré une augmentation du taux de déformation permanente allant de 92 à 237% pour des proportions de granulats recyclés allant de 0 à 70% et des contraintes verticales allant de 50 à 150 kPa (Depatie 2013). Ces travaux ont d’ailleurs permis de suggérer une méthode de calcul de renforcement de chaussées contenant des granulats bitumineux en fondation (Bilodeau et al. 2013). Pourtant, l’utilisation de matériaux recyclés (MR) est bénéfique d’un point de vue environnemental, entre autres en ce qui concerne la gestion des déchets, le transport, l’énergie consommée et la production de poussière. Il semble donc essentiel d’optimiser la mise en place de ces matériaux et de proposer des méthodes économiquement viables pour s’assurer de la bonne performance en orniérage des fondations retraitées.  

Objectifs : Le projet vise le développement de guide de sélection des techniques de mise en place et de stabilisation pour les matériaux recyclés produits par retraitement en place en fonction des objectifs de performance.

Méthodologie : Le projet comportera une revue exhaustive de la documentation sur le procédé de retraitement en place, ses avantages et inconvénients, ainsi que sur les diverses caractéristiques et propriétés fondamentales des MR. Cette revue cherchera à documenter les principaux problèmes de comportement associés au MR et les techniques potentielles pour les mitiger. Le projet comportera par la suite deux activités de recherche principales :

1.     Une première activité portera sur l’évaluation de différentes solutions de stabilisation des matériaux retraités par ajout de liants hydrauliques et hydrocarbonés lors du procédé de retraitement en place. Des solutions de retraitement mécanique par ajout de géotextiles de renforcement seront également évaluées. Ce projet comportera des essais en cellule triaxiale à chargement cyclique, ainsi que des essais en simulateur, pour la mesure de l’effet de ces techniques sur le module réversible et la résistance à la déformation permanente. Ce projet permettra de formuler des recommandations sur les types de produits et les dosages, et comprendra une analyse du rapport bénéfices-coûts de chaque technique retenue dans l’optique de guider les concepteurs lors des projets de retraitement en place.

2.     Le projet comportera également une étude réalisée sur des chantiers de retraitement en place de chaussées et portera sur l’étude de différentes approches de compaction susceptibles d’améliorer la densification de la partie inférieure de la couche de fondation constituée de matériaux retraités. Des planches expérimentales seront réalisées sur chacun des chantiers afin de réaliser une analyse comparative des techniques de compaction. Des mesures au LWD, au nucléodensimètre et au DCP, qui ont été utilisés avec succès dans un projet précédent pour mettre en évidence une zone à faible densité et à faible module réversible à la base des couches de fondation retraitée, seront effectuées. Les conclusions de ce projet permettront de formuler des recommandations sur le choix des équipements de compaction pour les chantiers de retraitement ainsi que sur le type de performance pouvant être attendu.

Les travaux de recherche seront réalisés dans le cadre d’un projet de maîtrise.

 

Projet 1.4 : Développement d’outils techniques pour la gestion des routes locales et chemins d’accès aux ressources

Les routes dites « à faible volume » constituent près de 80% (800 000km) des réseaux routiers canadiens. Elles sont généralement constituées de chaussées non-revêtues ou de chaussées revêtues avec des traitements de surface. Les routes à faible volume sont généralement regroupées en trois catégories soit : 1) Les routes rurales qui relèvent généralement des municipalités et qui permettent l’accès aux fermes, aux résidences, aux industries locales et aux marchés. Elles permettent également l’accès aux communautés éloignées. 2) Les routes permettant d’accéder et de desservir  les secteurs récréatifs tels que les parcs, les réserves et les secteurs touristiques. 3) Les routes d’accès aux ressources qui permettent l’accès aux ressources forestières et minières. Ces routes sont généralement caractérisées par des volumes de circulation faibles mais avec passages occasionnels (ou fréquent dans le cas des routes d’accès aux ressources) de véhicules lourds.

Bien qu’elles constituent une très forte proportion des routes au Canada et bien qu’elles constituent un actif de plusieurs dizaines de milliards de dollars, ces routes ne reçoivent que très peu d’attention scientifique. Les chaussées des routes locales et chemins d’accès aux ressources sont essentiellement conçues à partir méthodes empiriques plus ou moins adaptées pour les conditions d’exploitation de ces routes ou simplement à partir de règles d’expérience. Elles sont par ailleurs caractérisées par des mécanismes d’endommagement et par des pratiques d’entretien et de réhabilitation qui leur sont propres.  Bien que l’entretien des surfaces des chaussées non revêtues soit une opération relativement simple, il entraîne des coûts et des difficultés logistiques importantes, notamment en régions éloignées. Ce projet se divise en deux parties qui feront chacune l’objet de projets de maîtrise spécifiques.

 

Projet 1.4a : Conception mécaniste-empirique des chaussées non revêtues (1 MSc)

Dans le contexte où les routes à faible volume de circulation sont susceptibles de subir des charges importantes, une méthode rigoureuse pour la conception de ces chaussées basée sur des principes mécanistes-empiriques et sur le comportement mécanique des sols support est souhaitable. Même si le trafic lourd n’est pas un enjeu, la conception doit à tout le moins comporter une approche rigoureuse pour prendre en considération les effets climatiques et notamment les effets du gel et du dégel. La conception mécaniste combinée à des lois d’endommagement adaptées à ce type de chaussées permettra l’optimisation des structures de chaussées à faible volume et entraînera une réduction significative des coûts de construction et d’entretien de ce type de route.

Objectifs : Le projet vise donc la mise au point d’une méthode de conception mécaniste-empirique  adaptée aux chaussées à faible volume et à leur contexte d’exploitation au Canada. Les objectifs spécifiques du projet sont les suivants :

  • Mise au point d’un code de calcul simple mais rigoureux pour le calcul des contraintes et des déformations dans les chaussées à faible volume.
  • Développement de lois d’endommagement empiriques adaptées au contexte spécifique de ces chaussées.
  • Intégration des méthodes de calcul dans un outil de conception pratique (logiciel ou autre)

 

Méthodologie : Le projet débutera par une revue exhaustive de la littérature portant sur les principes et les méthodes de conception en usage pour les routes à faible volume. Les éléments pertinents et intéressants de ces méthodes pourront être mis à contribution dans le développement de la nouvelle méthode. Le projet comportera les principales activités de recherche suivantes :

1.     Développement du code de calcul : Les chaussées de routes à faible volume étant généralement constituées de structures simples, celles-ci seront initialement modélisées comme des systèmes élastiques bi-couches. La modélisation pourra alors être faite en utilisant la transformation d’Odemark et les équations de Boussinesq (Ullidtz, 1987) pour le calcul des contraintes et déformations sous la charge.

2.     Le volet innovant du projet consistera à développer des fonctions de transfert empiriques (lois d’endommagement) adaptées aux routes à faible volume. Les modes de dégradation de ces routes sont fondamentalement différents de celles des routes à plus fort volume. Les routes à faible volume ne sont généralement pas affectées par la fissuration de fatigue. Par ailleurs, dépendant du type de surface utilisé, la tolérance pour la déformation permanente est généralement beaucoup plus grande sur les routes à faible volume. Le développement des fonctions de transfert se fera donc en deux étapes : a) établissement de valeurs seuil d’orniérage (en surface et sur le sol d’infrastructure) considérant des niveaux jugés raisonnables de conditions fonctionnelle et structurale de la chaussée; b) développement de critères de déformation admissible en associant les déformations théoriques calculées à l’aide du code de calcul à l’endommagement observé sur plusieurs routes en service.

3.     La méthode de calcul et les critères seront validés par un essai sur une chaussée typique reconstituée dans la fosse et soumise au chargement répété par simulateur de charge. La chaussée sera instrumentée pour mesurer les déformations aux niveaux critiques de la chaussée et le taux d’endommagement sera mesuré en fonction du nombre d’applications de charge.

 

Projet 1.4b : Utilisation de revêtements économiques pour les routes locales et les routes d’accès aux ressources (1 MSC)

Problématique : On compte plus de 600 000 de routes non revêtues au Canada. La mise en place de revêtements économiques tels que les traitements de surface et les micro-revêtements sur certaines de ces routes peut avoir un impact économique et social considérable. En plus d’entraîner des économies d’entretien significatives, ce type de revêtement a une incidence directe sur la qualité de vie de la population, sur la qualité de l’environnement, sur les coûts d’exploitation des véhicules et sur la sécurité des usagers de la route (MnLTAP, 2006). Une analyse récente du Ministère des Transports du Québec conclut que l’utilisation de la technique du traitement de surface sur des routes en gravier où il y a peu de circulation constitue une avenue intéressante. De façon générale, la performance des traitements de surface doubles réalisés par le MTQ depuis 1997 sur routes gravelées est satisfaisante et a permis d’atteindre les niveaux de service escomptés (Pouliot 2004). Bien que quelques outils d’analyse permettent de déterminer le seuil de rentabilité de chaussées revêtues (MnLTAP, 2006), les analyses proposées reposent essentiellement sur une comparaison des coûts de construction et d’entretien. Ce type de revêtement amène aussi un bénéfice important sur le plan structural en imperméabilisant la surface de la chaussée et en améliorant la cohésion des matériaux granulaires. Il contribue à la performance fonctionnelle des routes et à la qualité de vie des populations locales.

Objectifs : Le projet vise essentiellement à quantifier la contribution des revêtements économiques à la performance structurale et fonctionnelle des routes à faible volume en conditions d’exploitation canadiennes. Les objectifs spécifiques sont les suivants :

  • Déterminer le champ d’application et documenter les bonnes pratiques d’utilisation des traitements de surface et revêtements économiques pour les routes à faible volume.
  • Quantifier les bénéfices structural et fonctionnel ainsi que les avantages sociaux-économiques reliés à l’utilisation des revêtements économiques.

 Méthodologie : Le projet peut compter sur l’appui de partenaires industriels qui maîtrisent les technologies reliées à la formulation et à l’application des revêtements économiques sur les chaussées à faible volume. Le projet mettra donc l’emphase sur l’apport structural et fonctionnel de ce type de revêtement et sur leur contribution à la performance à long terme des routes à faible volume. Les activités suivantes sont prévues dans le cadre du projet :

1.     Réalisation d’un état des connaissances détaillé sur les pratiques de formulation, de mise en œuvre et d’entretien des revêtements économiques en vue d’établir le champ d’application de ces techniques et de faire une synthèse des bonnes pratiques dans le domaine.

2.     Modélisation du comportement mécanique bidimensionnel utilisant le code de calcul numérique Sigma-W pour analyser la performance mécanique associée à la réduction et à la régularisation du niveau de saturation résultant de l’imperméabilisation de la surface ainsi que celui résultant de la présence d’une couche contribuant à la résistance en traction en surface de la chaussée.

3.     Analyses des Coûts du cycle de vie (ACCV) pour déterminer le bénéfice à long terme associé à l’utilisation de revêtements économiques sur les chaussées à faible volume. L’analyse sera effectuée suivant la méthode proposée par Bitume Québec (2011)

 

 

Thème 2 : Analyse de l’effet des véhicules lourds

 

Projet 2.1 : Développement d’un outil d’analyse de l’effet des véhicules lourds sur la chaussée (1 PhD; 1 PB)

Problématique : Des véhicules lourds de toutes dimensions circulent sur les réseaux provinciaux et municipaux. Les méthodes d’analyse pour évaluer les risques et les dommages en lien avec le passage de véhicules lourds (hors normes) utilisent généralement un calcul des déformations induites par la charge dans la chaussée et à la transformation des déformations calculées en dommage relatif exprimé en équivalent de passage d’essieux simples équivalents. Les lois utilisées ont généralement été développées en utilisant les données de l’essai AASHTO et ne peuvent être utilisées de façon fiable pour évaluer des charges exceptionnelles. Ces méthodes ne permettent pas non plus d’évaluer le risque de rupture d’une chaussée sous une charge très lourde.

Objectifs : Le projet proposé vise le développement d’une méthode et d’un outil pratique pour l’évaluation de l’effet du passage d’un véhicule lourd sur différents types de chaussées ainsi que les risques qui y sont associés. Il vise les objectifs spécifiques suivants :

  • Mise au point d’un modèle numérique tri-dimensionnel permettant l’analyse mécanique de chaussées routières soumises à une charge  distribuée sur un arrangement complexe de pneus.
  • Développement et intégration de lois d’endommagement incrémentales de la chaussée résultant du passage d’un véhicule lourd.
  • Développement et intégration de modèles de rupture du remblai routier sous le passage d’un véhicule lourd

 

Méthodologie : Pour atteindre les objectifs, le projet impliquera d’abord une revue étoffée des connaissances sur l’analyse de l’endommagement incrémental et l’analyse de rupture de remblais routiers sous l’effet des charges lourdes. Le projet consistera ensuite à améliorer les connaissances actuelles et à les adapter à notre contexte d’exploitation. Les activités de recherche suivantes sont prévues :

1.     Développement d’un modèle d’analyse par élément finis en 3D permettant la prise en compte de différentes charges et configurations de véhicules ainsi que de différentes géométries et structures de chaussées. Le modèle d’analyse serait développé sur la plateforme SVSolid de la compagnie « Soil Vision » en utilisant des critères de comportement isotrope élastique non-linéaire pour l’analyse des contraintes et déformations induites par une configuration donnée de véhicule et en utilisant des modèles de comportement élasto-plastiques (Von Mises et Druker Praeger ou autres) pour l’analyse au comportement à l'état limite.

2.     L’analyse de la charge sera fondée sur les lois de comportement mécaniques des chaussées. Le modèle d’analyse permettra d’établir les contraintes et déformations induites par la charge et à établir le dommage anticipé par le biais de lois d’endommagement appropriées. Le recours aux lois d’endommagement utilisées dans la pratique de conception mécaniste-empirique des chaussées (fatigue et déformation permanente) constitue la principale difficulté de cette partie du projet. Ces lois sont généralement développées pour des véhicules conventionnels en situation de circulation normale. Les véhicules de transport spéciaux ont souvent des configurations particulières (8 roues par essieu; grand nombre d’essieux rapprochés; etc) et sont souvent forcés de circuler en dehors des sentiers de roues. Le mode de sollicitation particulier de ces véhicules nécessite donc le développement de méthodes d’analyse et de critères d’endommagement spécifiques. La mécanique du comportement à la rupture en fatigue des enrobés bitumineux (Perraton et coll.,2003) et de l’endommagement par déformation permanente des matériaux granulaires des chaussées (Lekarp et Dawson, 1998) servira de fondement au développement de la méthode d’analyse.

3.     La méthode sera validée à l’aide d’essais en fosse sous simulateur de charge. Une chaussée locale typique sera reconstituée et instrumentée dans la fosse d’essai du département de génie civil. La charge appliquée sera augmentée progressivement jusqu’à la rupture du revêtement et de la fondation de la chaussée. L’état de contrainte de la chaussée et les cheminements de contraintes menant à la rupture seront documentés et comparés avec ceux prédits par le modèle. Au besoin, un facteur de calage sera ajouté au modèle pour améliorer sa capacité prédictive.

4.     Le modèle d’analyse développé dans le cadre du projet sera ensuite utilisé pour étudier trois cas documentés de transport lourd. Parmi les cas considérés, mentionnons le cas du transport d’une pièce d’éolienne sur une route locale, un transport lourd en crête de barrage et un transport de transformateur sur un réseau municipal.

Le projet sera réalisé par un étudiant dans le cadre de ses études au doctorat. L’analyse des données recueillies lors des essais en fosse fera l’objet d’un projet de baccalauréat.

 

Projet 2.2 : Transport lourd hivernal (1 MSc)

Problématique : En raison de la rigidité élevée des couches de la chaussée en période de gel, le dommage causé par le transport lourd en hiver est généralement considéré comme étant négligeable. En conséquence, plusieurs administrations routières permettent des charges plus élevées pour le transport général et autorisent le transport de véhicules hors normes durant cette période (Montufar et McGregor, 2006). Dans ces cas, la période de transport lourd hivernal est généralement déterminée à partir de critères empiriques basés sur  l’épaisseur de chaussée gelée ou sur la réduction de la déflexion de la chaussée. Le gain de capacité de support de la chaussée en fonction de la profondeur de gel et de la température du sol gelé est cependant mal documenté.

Objectifs : Le projet a pour objectif principal le développement de critères rationnels pour l’octroi de primes de charge durant la période hivernale. Plus spécifiquement, le projet vise les objectifs suivants :

  • Documenter le comportement mécanique de la chaussée durant le gel automnal.
  • Établir le lien entre le gain de portance résultant du gel des couches de la chaussée et l’endommagement.
  • Établir un critère rationnel pour l’octroi de primes de charge en période hivernale.

 

Projet : Le projet débutera par une revue détaillée sur le comportement mécanique des matériaux et des chaussées gelées ainsi que sur les mécanismes d’endommagement agissant sur la chaussée par temps froid. Afin d’atteindre les objectifs énoncés, il comportera les activités suivantes :

1.     Le projet sera réalisé sur une section de chaussée instrumentée construite dans la fosse d’essai afin d’étudier, en conditions contrôlées, le gain de portance de la chaussée en fonction de la profondeur de gel et de la température du revêtement. Deux cycles de gel seront réalisés pour documenter la diminution des contraintes et des déformations ainsi que l’augmentation des modules en fonction de la propagation du front de gel dans la chaussée.

2.     Les données obtenues seront utilisées pour caler un modèle de comportement mécanique 2D (SigmaW ou SVSolid) qui sera ensuite utilisé pour élargir l’analyse à différentes structures de chaussées et différents sols d’infrastructure.

3.     Les données de déformation obtenues expérimentalement et celles obtenues par modélisation seront ensuite utilisées pour évaluer l’endommagement en fatigue de la chaussée en fonction de la charge à l’aide de lois d’endommagement prenant en considération la température du revêtement.

Le projet sera réalisé par un étudiant dans le cadre de ses études à la maîtrise.

 

 

Thème 3 : Endommagement des chaussées en régions froides

Projet 3.1 : Fissuration thermique : Mécanisme et contrôle (1 projet de Doctorat et 2 projets de Baccalauréat)

Problématique : La fissuration thermique est l'un des importants modes de dégradation des chaussées construites dans les régions froides (Velasqueza et Bahiaa, 2013; Das 2012) et probablement le plus important problème de comportement des chaussées des réseaux routiers québécois. La fissuration thermique est l'un des modes de dégradation les plus difficiles à contrôler, notamment lorsque les fluctuations thermiques journalières sont importantes. C’est un phénomène irréversible qui entraîne plusieurs autres modes de dégradation localisés aux abords de la fissure (fissures secondaires, affaissements, soulèvements, etc.). En plus d’altérer le comportement structural de la chaussée, la fissuration thermique a un impact majeur sur le niveau de service, notamment sur la qualité de roulement de la chaussée (Klyne et coll., 2006; Doré et coll., 1998). Un projet de la Chaire i3C en cours de réalisation (Djonkamla) cherche à incorporer l’effet de la fissuration thermique dans le développement d’un modèle mécaniste-empirique de prédiction de la détérioration de l’uni des chaussées. Plus de 40 années de recherches sur le sujet ont permis de développer une compréhension approfondie des mécanismes et des facteurs affectant le phénomène de fissuration thermique (Velasqueza et Bahiaa, 2013).  L’influence du phénomène sur la capacité structurale et sur le comportement au gel de la chaussée aux abords des fissures, ainsi que la conséquence pour la chaussée de ces effets localisés est encore peu documentée et mal comprise.

Objectifs : Partant de l’état des connaissances actuelles, le projet vise à améliorer la compréhension de l’effet de la fissuration, notamment la fissuration thermique, sur le comportement mécanique et le comportement au gel des chaussées. Il vise également à développer des approches efficaces et durables pour la mitigation de cet important problème. Les objectifs spécifiques sont donc les suivants :

  • Documenter le comportement mécanique d’une chaussée fissurée
  • Quantifier l’effet de plusieurs facteurs qui contribuent à l’affaiblissement et au mauvais comportement de la chaussée aux abords de fissures
  • Établir le potentiel de différentes solutions de mitigation
  • Déterminer le bénéfice associé à l’utilisation de techniques de mitigation

Méthodologie : Afin d’atteindre les objectifs du projet, la méthodologie repose sur la modélisation du comportement et sur la cueillette de données expérimentales sur des chaussées fissurées. Il comporte les activités de recherche suivantes :

1.   la modélisation par éléments finis d’une chaussée affectée par la fissuration thermique pour simuler les conséquences de la fissuration sur le comportement mécanique et pour étudier le bénéfice de solutions de mitigation. La modélisation sera réalisée à l’aide du code tridimensionnel d’analyse par élément fini ABAQUS (Zang et coll., 1994; Costescu et coll., 2012 et plusieurs autres auteurs). Des lois de comportement élastiques non linéaires seront utilisées pour déterminer les champs de contraintes se développant aux abords de la fissure lors du passage d’un essieu de camion chargé. Une fois calé à l’aide de données expérimentales (activité 2), le modèle permettra de réaliser une analyse paramétrique pour évaluer l’effet de différents facteurs tels que la température du revêtement, la teneur en eau dans la fondation aux abords de la fissure et la friction entre les parois de la fissure sur le comportement mécanique de la chaussée sous l’effet d’une charge en déplacement. Les réponses mécaniques obtenues (contrainte et déformation) seront introduites dans des lois d’endommagement en déformation permanente et en fatigue pour évaluer la dégradation relative de la zone fissurée par rapport aux zones non fissurées de la chaussée. Le modèle de simulation développé dans le cadre de cette activité permettra également d’évaluer le potentiel de techniques de mitigation développées à l’activité 3.

2.   l’étude du comportement mécanique et du comportement au gel d’une chaussée affectée par de la fissuration transversale en fosse d’essai et au site expérimental routier de l’Université Laval (SERUL). Dans le cas de la chaussée construite en fosse d’essai, un trait de scie permettra de simuler une fissure idéalisée (sans friction causée par effet d’imbrication) dans la chaussée. Des jauges de déformation seront installées dans le revêtement et dans la fondation de part et d’autre de la fissure pour mesurer les déformations sous l’effet d’une charge roulante imposée par un simulateur de véhicule lourd. La même instrumentation sera installée dans une section de chaussée fissurée au SERUL pour mesurer le transfert de charge causé par la friction. Au SERUL, le chargement de la chaussée sera effectué avec un véhicule lourd et avec un déflectomètre de type FWD. Un véhicule à essieu arrière simple correspondant aux caractéristiques de l’équivalent de charge axiale simple (ECAS) sera utilisé pour évaluer le transfert de charge sous l’effet du passage de l’essieu. Lorsque le déflectomètre sera utilisé, des séquences de chargement seront réalisées de part et d’autre de la fissure et les géophones de l’appareil seront utilisés pour quantifier le transfert de charge suivant la méthode utilisée pour évaluer le transfert de charge pour les dalles de béton. La portion expérimentale du projet permettra principalement de caler le modèle de simulation développé dans le cadre de l’activité 1. Les essais dans la fosse expérimentale permettront également de recréer des conditions de contamination par le sel de déglaçage responsable de mauvais comportement au gel et au dégel de la chaussée aux abords de la fissure (Doré et coll., 1998). Les essais sur fondation contaminée permettront de documenter les phénomènes encore mal compris de soulèvement différentiel et de tassement différentiel se produisant dans les zones contaminées. Ce conditionnement spécial permettra d’évaluer l’effet du gonflement au gel aux abords des fissures sur le comportement mécanique de la chaussée aux abords de la fissure durant la phase de dégel.

3.   Le développement de solutions de mitigation, qui permettra d’aborder le cas des chaussées existantes (méthode palliative) et le cas des chaussées neuves (approche préventive). Dans le premier cas, les études théoriques et expérimentales (activités 1 et 2) orienteront le choix de stratégies axées sur le renforcement ou sur l’imperméabilisation de la zone affectée. Les solutions retenues seront d’abord optimisées en utilisant le modèle d’analyse (activité 1) puis expérimentées sur les sections d’essai (activité 2). L’expérimentation des solutions palliatives consistera à soumettre les fissures réparées à des essais (déflectomètre et simulateur de charge) pour évaluer la réponse mécanique à court terme et la performance à long terme des systèmes de réparation. Le principe de l’approche préventive repose sur le fait que si la température maximale atteinte par l’enrobé en été est réduite, il est plus facile de formuler des enrobés résistants à la fissuration thermique en hiver. Une stratégie innovatrice consistant à contrôler la résistance à la fissuration thermique des revêtements par la modification de l’albédo de la surface sera développée et expérimentée. Différents procédés incluant l’application d’enduits de surface et le traitement des enrobés à la chaux (Emery et coll., 2014) seront développés par les partenaires industriels puis expérimentés sur des chaussées au SERUL. L’applicabilité des produits, leur durabilité ainsi que leurs propriétés (albédo, adhérence et texture) seront documentées au cours de cette activité.

4.     Les résultats des analyses réalisées au cours des activités précédentes du projet permettront de faire une analyse du bénéfice relié à l’utilisation des solutions de mitigation par rapport au cas usuel n’utilisant aucune solution. Cette analyse sera en bonne partie fondée sur les coûts et la performance à court terme de sections d’essai incluant trois chaussées fissurées réparées avec les techniques développées et trois chaussées revêtues avec des enduits à albédo élevé. Ces sections d’essai seront construites sur des sections de chaussées choisies en collaboration avec nos partenaires. Les coûts de mise en œuvre des techniques seront documentés et la performance sera évaluée par un suivi d’environ 18 mois de comportement mécanique et de la durabilité des traitements. Dans le cas des revêtements à albédo élevé, la performance thermique des produits sera également documentée durant les deux étés de suivi. Dans ce dernier cas, des capteurs enregistreurs autonomes de température seront installés à faible profondeur dans les revêtements traités ainsi que dans les revêtements non traités adjacents.

Le projet sera réalisé par un étudiant dans le cadre de ses études au doctorat. Afin de permettre à l’étudiant de se concentrer sur les travaux de simulation numérique et sur l’analyse des données, les parties expérimentales (fosse et SERUL) feront l’objet de projets de fin d’études par des étudiants au baccalauréat.

 

Projet 3.2: Influence du soulèvement au gel sur la vie utile des chaussées (1 projet de Maîtrise)

Problématique : Le Ministère des transports du Québec (MTQ) est l’une des rares administrations routières dans le monde qui utilise une approche mécaniste-empirique de vérification au gel des structures de chaussées. La méthode utilise une approche mécaniste de calcul du soulèvement au gel (Saarelainen, 1992) fondée sur la théorie du potentiel de ségrégation (Konrad and Morgenstern, 1980). Le soulèvement calculé est alors comparé à une valeur de soulèvement admissible déterminée de façon empirique par le MTQ. La méthode utilise donc le principe d’une valeur seuil que le concepteur doit respecter. Elle ne permet pas d’évaluer, en termes de durée de vie, le bénéfice associé à l’obtention d’une valeur inférieure au seuil ni les conséquences résultant du non-respect du seuil. Cette information serait particulièrement utile dans les cas où le coût des mesures d’atténuation est élevé.

Objectifs : L’objectif principal du projet est le développement d’un modèle robuste d’endommagement de la chaussée associant le soulèvement au gel à la performance à long terme de la chaussée (uni et fissuration de gel). Les objectifs spécifiques sont les suivants :

  •  La mise au point d’un outil d’analyse permettant de dissocier les effets de soulèvement des fissures du soulèvement au gel du sol dans l’analyse de l’uni hivernal des chaussées.
  • Le développement d’un modèle empirique robuste associant la dégradation saisonnière et à long terme de l’uni au soulèvement au gel.
  • Le développement d’un modèle empirique robuste associant le soulèvement au gel au développement de la fissuration de gel sur la chaussée. 

Méthodologie : Le projet proposé vise à évaluer le lien entre le soulèvement au gel et différents modes de dégradation associés en vue d’évaluer les gains ou les pertes de performance reliés aux écarts par rapport à la valeur seuil proposée par le MTQ. Le projet implique donc les activités suivantes :

1.   Développement d’une méthode permettant d’isoler l’effet du soulèvement au gel dans les sols sur la dégradation de l’uni des chaussées : La principale difficulté rencontrée lors de travaux antérieurs visant le développement de lois d’endommagement des chaussées spécifiques à l’effet du soulèvement au gel (Doré et coll.,1999) est la difficulté de dissocier l’effet du soulèvement causé par le gel de ségrégation dans les sols d’infrastructure de celui du soulèvement des fissures causé par la contamination des fondations par les sels de déglaçage (Doré et coll., 1998). Ce dernier phénomène, qui affecte considérablement les variations saisonnières et à long terme de l’uni,  agit essentiellement dans les fondations de la chaussée et ne peut donc pas être atténué par un ajustement de la structure de chaussée. Le soulèvement au gel des fissures sera étudié dans le cadre du projet 1. Le projet prévoit donc une approche de filtrage des profils longitudinaux pour dissocier l’effet du soulèvement des fissures de celui du soulèvement dans le sol d’infrastructure. L’analyse des profils se fera en raffinant l’approche proposée par Fradette et coll. (2005a) à l’aide du logiciel PROVAL. Les auteurs ont démontré que les déformations causées par le soulèvement des fissures avaient des caractéristiques de longueurs d’onde qui permettaient d’isoler leur effet par filtrage de signal.

2.   Collecte de données sur chaussées en service : Une partie importante du projet consistera à documenter le comportement de chaussées en service. Une base de données comportant l’information sur environ 30 chaussées sera constituée aux fins du projet. L’échantillon devra comporter une gamme représentative de chaussées en milieu rural et municipal pour lesquelles, dans la mesure du possible, les données de soulèvement au gel et de profil longitudinal (été et hiver) sont disponibles. Les données manquantes seront recueillies en collaboration avec les administrations routières concernées dans le cadre du projet de recherche.

3.   Développement de modèles : Une analyse statistique sera alors réalisée pour associer la perte d’uni à long terme (DIRILT) et la variation saisonnière d’uni (DIRIS) au soulèvement au gel du sol d’infrastructure. Le développement se fera en utilisant une approche de type régression multivariée faisant intervenir des variables complexes qui représentent les mécanismes en cause. Une approche similaire sera utilisée pour associer le soulèvement au gel à l’évolution de la fissuration de gel (fissuration hors sentier de roues et lézardes). Les modèles développés deviendront le principal outil pour évaluer les conséquences associées au non-respect de la valeur de soulèvement admissible.

Le projet sera réalisé par un étudiant dans le cadre de ses études à la maîtrise.

 

Projet 3.3 : Analyse du profil des chaussées (1 projet de Maîtrise)

Problématique : Les profils longitudinaux bruts recueillis systématiquement sur les chaussées des réseaux provinciaux contiennent une quantité importante d’information peu exploitée lors de l’analyse conventionnelle avec le modèle de quart de véhicule. Les travaux réalisés par plusieurs chercheurs ont permis de mettre en évidence le potentiel remarquable de l’analyse des profils pour établir un diagnostic des causes de dégradations des chaussées (Vaillancourt et coll., 2003; Fradette et coll. 2005a), pour quantifier les conséquences sur les usagers de la route (Fradette et coll., 2005b; Richard et coll., 2008; Gagnon et coll., 2013a, 2013b et 2013c) et pour quantifier les incidences sur la durée de vie utile des chaussées (Doré et coll., 2013).

Objectifs : Le projet vise à raffiner les modèles développés dans le cadre d’études antérieures et dans le cadre du projet 2 de ce programme pour produire un outil d’analyse intégré des profils routiers. Plus spécifiquement, le projet vise à atteindre les objectifs suivants :

  • Le développement d’indicateurs basés sur les caractéristiques des profils de chaussées permettant d’identifier les causes de dégradation de la chaussée et de quantifier le risque de mauvaise performance fonctionnelle et structurale.
  • La mise au point d’un outil d’analyse de type « système expert » permettant de faire un diagnostic des profils, d’identifier les causes de dégradations et de quantifier les risques de mauvaise performance de la chaussée.

Méthodologie : Afin d’atteindre les objectifs, le projet proposé intégrera les résultats de travaux réalisés dans le cadre de la phase 1 de la Chaire i3C ainsi que dans le cadre de travaux antérieurs en vue du développement d’une méthode d’analyse pratique des profils longitudinaux. Le projet comportera les activités de recherche suivantes :

1.   Une revue détaillée des connaissances développées dans le cadre de travaux antérieurs et dans le cadre de travaux similaires permettra d’identifier les caractéristiques des profils qui peuvent être associées aux causes de dégradation d’une chaussée ainsi qu’aux problèmes de comportement fonctionnel et structural de la chaussée.

2.   Développement d’indicateurs : Les caractéristiques identifiées serviront à développer une série d’indicateurs qui seront utilisés pour l’analyse des profils. Ces indicateurs peuvent prendre la forme de secteurs isolés du profil présentant des caractéristiques particulières d’amplitude et de longueur d’onde ou peuvent être des caractéristiques générales du profil (exemple : profil à fort contenu de moyennes ondes de forte amplitude).

3.   Documentation de profils de chaussées en service : Une base de données constituée de profils incluant les indicateurs recherchés et de profils modifiés pour inclure les indicateurs sera constituée à partir des bases de données du MTQ et de la Chaire i3C. Au besoin, des profils additionnels seront relevés dans le cadre du projet. Plusieurs techniques d’analyse telles que le filtrage, la transformée de Fourier et l’analyse de densité spectrale, ainsi que l’analyse par ondelettes seront utilisées sur les profils. L’efficacité de différentes techniques, ou combinaison de techniques, pour identifier et mettre en évidence les indicateurs retenus sera évaluée en utilisant le logiciel PROVAL comme outil principal d’analyse. Considérant l’envergure du projet, des techniques simples et efficaces seront retenues pour le développement de la méthode d’analyse des profils.

4.   Une procédure d’analyse combinant les techniques jugées efficaces pour une analyse approfondie des profils de chaussées sera développée. La procédure utilisera une approche de type « système expert » pour identifier les indicateurs et en analyser l’incidence sur la performance structurale et fonctionnelle de la chaussée. Dans la mesure du possible, la procédure sera intégrée à un outil d’analyse informatisé pour faciliter l’intégration de la méthode dans l’industrie.

Le projet sera réalisé par un étudiant dans le cadre de ses études à la maîtrise.

 

 

Programme détaillé - Phase 1 (2009-2014):

THÈME 1 : COMPORTEMENT DES MATÉRIAUX ET DES STRUCTURES DE CHAUSSÉES

Dans le contexte climatique canadien, les effets de la température, du gel/dégel et de l’eau sont des facteurs qui amplifient considérablement les effets des charges lourdes sur la chaussée. Les températures extrêmes, tant chaudes que froides, modifient considérablement les propriétés et le comportement des matériaux liés. Il est par ailleurs bien connu que les températures de gel dans des sols d’infrastructure sensibles au gel provoquent un soulèvement de la chaussée. Lors du dégel printanier, les lentilles de glace de ségrégation fondent, générant des pressions interstitielles dans les sols d’infrastructure susceptibles au gel. La perte de capacité portante qui en résulte peut également être substantielle, et aboutir à d’importants dégâts structuraux si la chaussée subit des conditions de chargement sévères et non contrôlées. L’observation systématique de chaussées d’essai démontre qu’une forte proportion du dommage par fatigue de la chaussée survient au tout début de la période de dégel alors que les dommages par déformation permanentes progressent rapidement en fin de dégel
(Doré et Savard, 1998). Les matériaux de chaussée sont également très sensibles à l’eau. D’après l’état actuel des connaissances, les problèmes de variation de propriétés mécaniques des sols et des matériaux granulaires de chaussées sous l’effet de variations de leur teneur en eau sont largement reconnus et documentés. Doucet et Doré (2004) ont observé des pertes de modules réversibles atteignant 100 MPa pour des matériaux de fondation passant d’une faible teneur en eau à un état voisin de la saturation, ce qui se traduit par une réduction de la durée de vie de l’ordre de 50%. Ces valeurs sont corroborées par plusieurs études (Simonson et coll., 2002; Janoo and Shepherd, 2000).
Les besoins de recherche demeurent importants, notamment dans le domaine de l’étude du comportement des matériaux et structures de chaussées soumises aux variations saisonnières et à long terme du climat, ainsi que dans le domaine de la caractérisation de ces effets et de leur prise en compte dans les modèles de conception et d’analyse des chaussées. Du point de vue matériau, les conditions environnementales qui prévalent au Canada entraînent des préoccupations à trois niveaux :


1) risque de saturation des matériaux granulaires, ce qui altère considérablement leur comportement mécanique, 

2) modification du comportement en traction et en fatigue des matériaux liés à basse température, 

3) comportement en déformation permanente des matériaux bitumineux à température élevée. Plusieurs phénomènes observés sur des chaussées expérimentales témoignent d’un écart important entre les conditions réelles et les modèles de formulation de matériaux et de conception de chaussées (de la Roche, 1996; Di Benedeto, 1998; Lundström, 2002). Les recherches menées par les étudiants de 3ème cycle Lamothe (Perraton et Dibenedetto) et Bilodeau (Doré et Pierre) apporteront un nouvel éclairage sur le comportement saisonnier des matériaux.
Les projets regroupés sous ce thème ont pour objectif de développer les connaissances et les technologies nécessaires à la maîtrise de la performance des matériaux routiers. Notre connaissance des besoins de recherche sur ce sujet et la consultation des partenaires de la Chaire industrielle ont permis de définir les sujets de recherche suivants :

SOUS-THÈME 1A : MATÉRIAUX DE CHAUSSÉES

Projet 1A-1 : Comportement mécanique des matériaux routiers sous sollicitation mécanique et effets climatiques saisonniers

Objectif spécifique : Cette étude vise essentiellement à identifier des solutions techniques applicables
à la formulation des matériaux pour diminuer leur sensibilité aux sollicitations mécaniques en conditions climatiques rigoureuses.

Méthodologie : Afin d’atteindre cet objectif, le projet comportera une étude des mécanismes affectant le comportement rhéologique des matériaux de chaussées sujets aux variations climatiques. L’étude cherchera à identifier les facteurs favorisant le bon comportement des enrobés bitumineux à la fois en déformation permanente à haute température et en fatigue à basse température. Il comportera également une étude de l’affaiblissement au dégel et la détérioration par déformation permanente des matériaux granulaires de fondation des chaussées. En plus d’une revue détaillée des connaissances sur ces sujets, le projet comportera une analyse approfondie des données recueillies sur sites expérimentaux au cours des dernières années par l’équipe de recherche du professeur Doré. Ces données incluent des mesures de température et de teneur en eau dans la chaussée, des mesures du changement de volume ainsi que des mesures de déformation dans chacune des couches de la chaussée enregistrées lors du passage d’un véhicule lourd de référence (Bourgie et Doré, 2000; Imbs et Doré, 2002 et Deblois, 2005). Elles constituent une source unique d’information de grande qualité pour étudier la relation entre la rigidité du matériau, son état hydrique et son état de densité. Des chaussées expérimentales additionnelles seront construites et instrumentées en collaboration avec les partenaires pour permettre l’acquisition de données complémentaires à l’information disponible. Ces chaussées permettront la mesure du comportement mécanique en fonction de l’état hydrique et thermique prévalant dans les couches. Des échantillons représentatifs seront également prélevés et maintenus en conditions représentatives en vue d’un programme d’essais en laboratoire. Ces essais seront menés en vue de préciser l’influence de la teneur en eau et de la température sur les propriétés rhéologique et sur la performance des matériaux. Ils seront réalisés en chambre environnementale sur le bâti d’essais en flexion de poutre (enrobés bitumineux) et en cellule triaxiale (matériau granulaire) soumis à ces sollicitations cycliques représentatives des conditions routières, à l’aide du système d’essai pour matériaux de chaussées disponible à l’Université Laval. La sensibilité à l’eau et au dégel des matériaux granulaires sera également étudiée spécifiquement dans le cadre de ce projet. Le projet comportera également des essais en laboratoire suivant le protocole développé par Bilodeau (Bilodeau, 2006) dans le cadre de son projet de doctorat. Ce protocole expérimental permet l’analyse approfondie de la relation entre ces trois paramètres.
Les essais réalisés dans le cadre de cette recherche serviront de fondement au développement de modèles généralisés de comportement rhéologique et de performance des matériaux de chaussées en conditions climatiques rigoureuses. Les effets des teneurs en eau et de la température seront explicitement pris en compte par le modèle qui sera fondé sur les principes physiques qui régissent la rhéologie des matériaux de chaussées liés et non-liés.

Projet 1A-2 : Caractérisation des sols et matériaux de chaussées pour supporter l'utilisation de modèles mécanistes-empiriques de conception et d'analyse de chaussées

La tendance actuelle en Amérique du Nord est l’adoption de méthodes mécanistes-empiriques pour la conception structurale des chaussées. Les Etats-Unis ont entrepris un effort massif et concerté sous la direction de l’American Association of State Highway Officials (AASHTO) pour le développement d’une méthode complète et standardisée de conception mécaniste-empirique des chaussées. La méthode, connue sous le nom de « Mechanistic Empirical Pavement Design Guide (MEPDG)», fait présentement l’objet de travaux importants pour faciliter son adoption par les administrations routières et son application dans la pratique courante. La méthode comporte des procédures détaillées pour l’évaluation des chaussées et pour la conception des chaussées neuves et réhabilitées. Les modèles qui sous-tendent la méthodes ainsi que les procédures proposées doivent cependant être adaptées et calibrées aux conditions locales. L’application de la méthode requiert également le développement de méthodes simples et pratiques pour la détermination des paramètres de conception permettant la prise en compte des effets mécaniques et climatiques sur la chaussée. Un projet est présentement en cours au Canada pour favoriser la mise en application de la méthode dans le contexte canadien. Cette initiative mettra l’emphase sur le développement de bases de données sur les paramètres climatiques,
le trafic et les propriétés des matériaux à prendre en compte en conditions canadiennes (Doré et coll., 2006). La collaboration en cours avec le professeur Perraton vise à développer des outils pour la mise en oeuvre rigoureuse de cette méthode. L’implantation des modèles mécanistes-empiriques dans le contexte canadien, notamment dans le contexte municipal, représente encore un défi important, notamment au niveau de la caractérisation des propriétés des sols et des matériaux de chaussées.

Objectif spécifique : Cette étude a pour objectif la mise au point de procédures et d’outils simples pour la détermination des propriétés des sols et des matériaux de chaussées requis pour supporter les modèles mécanistes-empiriques et permettant la prise en compte des effets climatiques.

Méthodologie : Le projet comportera d’abord une mise à jour de l’état des connaissances dans le domaine de la caractérisation des matériaux de chaussées pour supporter l’utilisation de modèles mécanistes. Il comportera également un développement scientifique à trois niveaux : Le projet exploitera d’abord (Maîtrise 1) les bases de données existantes pour le développement de modèles d’estimation à partir de propriétés physiques des matériaux de chaussées. Une base importante d’information sur les propriétés mécaniques des matériaux de chaussées, développée dans le cadre de deux projets de doctorat en cours (Doucet et Bilodeau), constituera la source privilégiée d’information pour cette analyse. Les modèles développés seront par la suite validés en utilisant les bases de données du programme américain SHRP (Strategic Highway Research Program).
Le projet (Maîtrise 2) comportera également un volet portant sur le développement d’outils simples et faciles d’utilisation pour la détermination, en laboratoire et in situ, des propriétés mécaniques et de la sensibilité à l’eau. En plus de miser sur les derniers développements documentés dans la littérature, le projet continuera le développement entrepris dans le cadre de deux projets de maîtrise (Boutet, projet en cours; Abdelrazik Idriss, 2005). Ces projets portent sur l’utilisation du pénétromètre dynamique, de l’essai CBR et du déflectomètre portable pour la mesure et la prédiction des propriétés mécaniques et sur la mesure en laboratoire de la constante diélectrique et de la remontée capillaire pour mesurer la sensibilité des matériaux aux effets environnementaux. Une des avenues qui sera explorée dans le cadre de ce projet est l’utilisation de la mesure de la constante diélectrique du sol lors des essais au pénétromètre dynamique pour ainsi obtenir les propriétés mécaniques et la sensibilité à l’eau des sols en matériaux de chaussée en un seul essai simple.

Plan de travail 2008-2009 : Télécharger

Projet 1A-3 : Développement de matériaux recyclés performants

Des développements importants pour la caractérisation et la classification des matériaux recyclés ont été entrepris par le Ministère des transports du Québec (Marquis et coll., 1998). Ces travaux ont mené à la définition des classes de matériaux MR (matériaux recyclés) et à une série de spécifications sur l’utilisation de ces matériaux dans les chaussées du réseau provincial. Les conclusions de ces travaux comportent plusieurs restrictions relatives à la densité, la capacité portante et la sensibilité aux effets climatiques de ces matériaux. Depuis ces développements, le besoin pour l’utilisation des matériaux récupérés lors de la réhabilitation n’a cessé de croître, notamment dans le contexte municipal ou le rejet des matériaux de démolition n’est plus une option viable.


Objectif spécifique : Cette étude a pour objectif la mise au point de techniques de formulation de matériaux recyclés performants et durables.


Méthodologie : Le projet comportera le développement d’un état de connaissances détaillé sur les récents développements relatifs à l’utilisation des matériaux recyclés en construction routière. Le projet misera ensuite sur un important programme expérimental visant à poursuivre les recherches menées dans le cadre d’un projet de doctorat portant sur l’optimisation des caractéristiques des matériaux granulaires de chaussées (Bilodeau; projet en cours) ainsi que dans le cadre du programme CARRLO
(Chemins d’accès aux ressources et routes locales; Pierre et coll., 2006). Ce dernier projet fait présentement l’objet de deux projets de maîtrise et vise le développement de formules de stabilisation pour les chemins non-revêtus. Le projet proposé s’inspirera de l’approche développée dans le cadre du programme CARRLO. Différentes formules de matériaux stabilisés seront développées et optimisées en laboratoire en utilisant des essais de caractérisation mécaniques et de sensibilité à l’eau. Les formules retenues feront ensuite l’objet d’une étude de performance sous charge dans le simulateur du groupe de recherche. Les résultats des simulations permettront de développer des modèles de performance relative pour ces matériaux qui pourront ensuite être utilisés pour une évaluation du bénéfice technique et économique de l’utilisation de ces matériaux.

SOUS-THÈME 1B : CARACTÉRISATION ET BONIFICATION DES SOLS D'INFRASTRUCTURE

1B-1 Traitement des sols et des structures de chaussées pour réduire la sensibilité des chaussées aux effets climatiques

Dans le contexte canadien, l’une des préoccupations importantes lors de la conception d’une structure de chaussée est la stabilité des propriétés mécaniques des couches affectées par les variations climatiques. Dans la plupart des provinces canadiennes, l’action du gel et des précipitations est importante. Au Québec, par exemple, il tombe en moyenne 1000 mm d’eau par année et le gel pénètre à des profondeurs variant entre 1,2 et 3,0 m entraînant des soulèvements parfois importants de la chaussée. Tel que décrit dans le projet 1A-1, l’eau affecte considérablement les propriétés mécaniques et le comportement à long terme des matériaux de chaussées. Les approches de conception et les techniques de construction doivent donc être adaptées à ce phénomène. Plusieurs options sont disponibles pour atténuer les effets néfastes des variations de teneur en eau de la chaussée.


Objectif spécifique : Le projet a pour objectif spécifique d’établir le bénéfice technico-économique associé à l’utilisation de couches spéciales dans la chaussée dont les systèmes de drainage.

Méthodologie : le projet proposé fera d’abord le point sur l’état des connaissances sur les techniques visant à réduire la sensibilité des sols et des matériaux de chaussées aux facteurs environnementaux et notamment à l’eau. Nous prévoyons par la suite développer les connaissances acquises lors des travaux théoriques de Lebeau et coll. (1998) par l’expérimentation sur le terrain des systèmes de drainage étudiés lors de ces travaux : l’utilisation d’une nappe drainante, l’écran drainant géocomposite en rive de chaussée et le tuyau de drainage au niveau de la ligne d’infrastructure. Ces systèmes de drainage seront installés dans une des fosses d’essai du site expérimental routier de l’Université Laval (SERUL). Les sections seront instrumentées pour en suivre l’état hydrique lors du drainage subséquent à l’inondation de la fosse. L’efficacité relative de chaque système drainant sera évalué relativement à une section témoin non traitée selon le temps requis pour atteindre les conditions d’équilibre dans la chaussée et selon l’évolution de la portance mesurée au déflectomètre à masse tombante durant la période de récupération. Les conditions hydriques et les données de déflectométrie recueillies durant le projet seront utilisées dans des lois d’évolution reconnues pour établir la performance relative des techniques utilisées. La performance relative pourra ensuite être utilisée dans l’évaluation du bénéfice économique relié à l’utilisation de ces systèmes.

THÈME 2 : MAÎTRISE DE LA PERFORMANCE DES CHAUSSÉES

Le défi important que représente la mise à niveau du réseau routier oblige les administrations routières à rechercher un maximum de rendement pour les investissements routiers. En plus de chercher à améliorer les pratiques de construction, d’entretien et de réhabilitation des chaussées, elles explorent de nouvelles approches sur la base de partenariats avec l’entreprise privée. Plusieurs projets ont ainsi été réalisés sur un principe de partage du risque. L’entreprise assure la conception et la construction de l’ouvrage tout en en garantissant la performance et l’administration routière assume les coûts de l’opération et reprend la responsabilité de l’ouvrage à la fin de la période de garantie. Des projets d’envergure sont également réalisés sous une formule de « concession routière » impliquant que le concessionnaire doit en plus opérer la route durant une période prolongée.
Dans tous les cas, le rendement des investissements routiers passe par la maîtrise de la performance des chaussées sollicitées par le trafic lourd dans un contexte climatique rigoureux. De plus, tant au Québec que dans le reste du Canada la recherche d’un rendement maximum implique de considérer la nécessaire intégration des réseaux municipaux, privés et provinciaux sur lesquels circulent, sans distinction, les personnes et les marchandises. Beaucoup a été fait au cours des dernières années pour améliorer les connaissances et les pratiques dans les domaines de la conception, de l’analyse et de la gestion des chaussées. Il reste cependant encore beaucoup à faire notamment dans les domaines de la conception et de l’analyse des chaussées municipales, de la prise en compte des effets des charges lourdes et du climat ainsi que de la maîtrise du comportement des chaussées.
Les projets regroupés sous ce thème ont pour objectif de objectif le développer des connaissances et des outils nécessaire à la maîtrise de la performance des chaussées routières des réseaux provinciaux et municipaux. La revue de l’état des connaissances et la consultation des partenaires de la Chaire industrielle a permis d’élaborer les projets de recherche suivants:

SOUS-THÈME 2A : EFFETS DES CHARGES LOURDES ET DU CLIMAT SUR LA CHAUSSÉE

Projet 2A-1 : Développement et gestion d'une base de donnée de comportement de chaussées municipales

L’absence quasi-totale de données sur le comportement de chaussées municipales est un obstacle majeur au développement d’outils de conception et de gestion de ces ouvrages. Les besoins d’investissement sur les réseaux municipaux sont généralement établis sur des bases qualitatives faute de données spécifiques. En l’absence de modèles de dégradation spécifiques à ce contexte particulier, la conception et la gestion des chaussées municipales est encore en grande partie fondée sur des modèles développés en contexte de route en milieu rural ce qui rend difficile l’optimisation des interventions sur les réseaux municipaux. Ce problème a été souligné lors d’un atelier tenu en janvier 2007 par le Centre d’expertise et de recherche en infrastructures urbaines (CERIU). Il a été soulevé également dans le cadre de plusieurs études dont celle commandée par Transport Canada portant sur le dommage relatif causé par le climat et le trafic (Doré et coll., 2006) et celle commandée par le CERIU et portant sur la conception des chaussées municipales (Pierre et coll., 2006).


Objectif spécifique : Le projet a pour objectif de documenter le comportement à long terme des chaussées municipales en service. Il vise essentiellement à fournir une base de données de référence pour le développement d’outils de conception et de gestion pour ce type d’ouvrage.

Méthodologie : Le projet implique la réalisation d’un état de connaissances détaillé sur la caractérisation et le comportement des chaussées municipales. Le projet implique également le développement d’indicateurs de performance et niveau de service propres à ce type de chaussées. Le projet s’inspirera largement du programme de suivi du comportement des chaussées C-LTPP (Canadian long-term pavement performance) réalisées dans le cadre du programme C-SHRP (Canadian Strategic Highway Research Program). Le candidat titulaire a été impliqué dans le développement de ce programme (à plein temps durant 2 ans et à temps partiel durant plus de 10 ans) et en connaît bien les particularités. Il a de plus été l’instigateur du programme de suivi de la performance des chaussées du MTQ qui a servi directement au développement de modèles de performances utilisés dans le système de gestion et dans la méthode de conception du MTQ. Cette expérience servira au montage du programme de suivi de la performance des chaussées municipales.
Le programme comportera un minimum de 60 sections échantillonnées dans une dizaine de municipalités et représentant différentes catégories de chaussées municipales (artères industrielles et urbaines, rues résidentielles et chemins municipaux). Les chaussées feront l’objet d’une caractérisation détaillée (forages, échantillonnages et caractérisation des matériaux) et de mesures périodiques de leur condition (mesure de l’état fonctionnel et structural en fonction des indicateurs choisis). Les données seront recueillies en collaboration avec les partenaires municipaux de la Chaire. Les relevés et essais spécialisés seront réalisés et les données seront gérées par les chercheurs de la Chaire i3C.
Après contrôle de la qualité des données, elles seront consignées dans une base de données interrogeable publiée sur le site web de la Chaire. Le programme sera établi en fonction d’un suivi initial sur 5 ans mais devant idéalement se prolonger sur une période de 10 ans. La base de données viendra appuyer le développement d’outils de conception et de gestion dans le cadre de la Chaire industrielle (projets 2A-3, 2B-2 et 2B-3) ainsi que dans le cadre de projets de recherche réalisée par d’autres chercheurs sur le sujet. Il comportera également une analyse des tendances de comportement et le développement de modèles préliminaires.

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Projet 2A-2 : Caractéristiques des pneus et endommagement des chaussées

La signification de la charge axiale et de la pression de contact pour la détérioration de la structure de route diffère selon la structure particulière de route et l’endroit des faiblesses qui s’y trouve. Pour la couche de revêtement et la couche de fondation, la détérioration est principalement une fonction de pression de contact, alors que pour la sous-fondation et le sol c’est une fonction de la charge axiale
(Sorlie et Refsdal 1985). La pression de contact induit des contraintes de tension horizontales à la base des couches liées et des contraintes de cisaillement responsables de la formation de fissures de fatigue (Johansen et Senstad, 1992). Les sollicitations à l’interface pneu-chaussée ont fait l’objet de plusieurs études dans les quinze dernières années. Les études menées jusqu’à présent (Lippmann, 1985 ; Markshek , 1986 ; Tielking et Roberts, 1987 ; Beer, 1997 ; Siegfried, 1998) ont permis de conclure sur plusieurs points dont le fait que les contraintes verticales de contact sous la charge d’un pneu ne sont pas uniformes. La distribution de ces contraintes dépend de la conception du pneu lui même.
Ces études indiquent également que pour un pneu en déplacement, des cisaillements longitudinaux se développent au centre de la surface de contact.
On note actuellement une forte tendance en Amérique du Nord pour l’adoption de pneus simples à bandes larges en raison de l’efficacité de ces pneus. Les premières études, effectuées sur le critère de la déformation en traction à la base des couches liées indiquent que ces pneus causent plus de dommage par fatigue à la chaussée. Des études récentes (Pierre et coll., 2004 et 2006), ont toutefois démontré que les déformations verticales et de cisaillement se produisant à faible profondeur dans les revêtements routiers étaient réduits sous les pneus à bandes larges ce qui suggère que ces pneus sont moins dommageables selon un critère de déformation permanente dans les revêtements.


Objectif spécifique : L’objectif de ce projet est de déterminer les dommages causés à la chaussée par les nouveaux équipements proposés par l’industrie du transport routier.


Méthodologie : L’emphase sera mise sur l’utilisation émergeante des pneus simples à bandes larges dans trois contextes spécifiques : L’utilisation en remplacement des pneus jumelés sur les véhicules de transport routiers, l’utilisation sur les équipements de transport spéciaux (grues et autres) et l’utilisation sur les camions de chantier hors route lors de chantiers de construction. En plus d’une mise à jour détaillée des connaissances dans ces domaines, la recherche comportera des mesures de déformations à trois niveaux, soit à faible profondeur dans le revêtement, à la base du revêtement puis dans les couches non liées de a chaussées sur le site expérimental de l’Université (SERUL). Ces mesures sous véhicules d’essai en mouvement permettront de vérifier les déformations critiques causées par les pneus testés relativement à un pneu de référence. Les déformations seront ensuite utilisées pour prédire le dommage relatif causé par ces pneus sur la chaussée par le biais de modèles d’endommagement reconnus. Les estimations d’endommagement relatif seront par la suite validées par un programme expérimental en simulateur de charge. Les essais à échelle réduite permettront de comparer l’effet de certains paramètres relatifs à l’utilisation de pneus simples.

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Projet 2A-3 : Développement de lois de comportement des chaussées sous l'action combinée des charges lourdes et du climat

Le développement de lois de comportement (endommagement) pour les chaussées soumises à l’action du transport lourd et du climat a été identifié par l’OCDE (1988) comme un des plus importants besoins de recherche pour la gestion des infrastructures routières en contexte nordique. Depuis la publication de ce rapport, des progrès importants ont été réalisés dans la collecte de données de comportement à long-terme des chaussées (programmes SHRP, C-SHRP et programme de suivi du MTQ). Ces programmes ont donné lieu au raffinement de plusieurs modèles de comportement de la chaussée sous l’effet du trafic. Cependant, à notre connaissance, aucun modèle ne permet à ce jour de prendre en compte les effets du climat et du trafic de façon pleinement satisfaisante, notamment dans le contexte de routes à faible volume qui caractérise les réseaux provinciaux, territoriaux et municipaux canadiens. Cette lacune importante a été soulignée dans une étude récente réalisée par le candidat pour le compte de Transport Canada (Doré et coll., 2006). Cette lacune est d’autant plus importante que les administrations routières s’intéressent de plus en plus au principe de la tarification sur la base de l’endommagement causé à la chaussée.


Objectif spécifique : Le projet vise le développement et la validation de lois d’endommagement permettant de quantifier l’effet des charges lourdes et du climat sur la performance de la chaussée.

Méthodologie : Selon Lytton [1987], les principes de la statistique et de la mécanique sont les deux piliers sur lesquels doit reposer le développement des modèles de comportement (détérioration). Le principe de base est que la forme de la relation doit être conforme aux conditions limites et aux principes physiques qui contrôlent l’évolution des dégradations. L’utilisation combinée de modèles analytiques et de modèles empiriques développés par régression non linéaire et utilisant plusieurs variables indépendantes en plus de la réponse primaire, permettra de prédire le développement de dégradations avec un bien meilleur contrôle de la variabilité qu’avec l’un ou l’autre des modèles utilisés séparément. Dans le cadre du projet, des modèles de détérioration spécifiques à chaque mode de dégradation pertinent, seront développés en mettant l’emphase sur les principes de la physique qui contrôlent les phénomènes de détérioration. Les lois physiques en cause seront utilisées pour développer des variables mécanistes [Lytton, 1994] qui devraient contrôler l’initiation puis la propagation de la détérioration. Ces variables seront par la suite utilisées, en conjonction avec d’autres variables pertinentes pour associer statistiquement les caractéristiques spécifiques d’un site routier à sa détérioration anticipée. Le projet implique donc les étapes suivantes : 1) Revue détaillée de la littérature sur les mécanismes d’endommagement pertinents; étude approfondie du mécanisme régissant l’initiation et la propagation du mode spécifique de détérioration considéré; représentation du mécanisme par une variable mécaniste, et; établissement d’une relation entre la variable mécaniste et la détérioration de la chaussée fondée sur l’observation de sections routières expérimentales (bases de données disponibles). Les modèles seront ensuite validés sur des bases de données indépendantes de celles qui on servi à leur développement. Les modèles validés permettront ensuite, selon les besoins exprimés par les partenaires, à faire des analyse technico-économique de différents scénarios de changements proposés à l’industrie du transport. Les modèles permettraient ainsi, par exemple, d’évaluer l’incidence technique et économique de modifications aux règlements sur les charges des véhicules lourds ou sur les restrictions de charge au dégel.

Projet 2A-4 : Étude de l'effet des charges dynamiques

Le développement de matériaux routiers et le calcul des structures de chaussées sont généralement fondés sur l’hypothèse que les charges qui circulent à la surface des chaussées sont des charges statiques dans le plan vertical. Dans les faits, les charges lourdes circulant sur des surfaces déformées oscillent verticalement et transmettent des charges dynamiques à la chaussée. La charge dynamique peut atteindre et même excéder 150% de la charge statique dans des conditions de routes déformées (OCDE, 1988; Christison et Woodroofe, 1986; Cebon 1999). Le soulèvement différentiel au gel durant la saison hivernale est un phénomène généralisé au Québec qui détériore considérablement l’uni de la chaussée en hiver. Les déformations s’amplifient tout au long de l’hiver et culminent au début du printemps (Fradette et coll., 2005). L’indice de rugosité international (IRI) est utilisé au Québec pour quantifier l’uni des chaussées. Il n’est pas rare de voir cet indice (échelle linéaire) doubler (Fradette et coll, 2005; Doré et coll., 2001) et même tripler (Doré, données non publiées) en fin d’hiver sur les routes du Québec. Les déformations typiques résultant des phénomènes de soulèvement différentiel ont des longueurs d’onde variant de 2 à 10 m et des amplitudes pouvant atteindre 100 mm (Fradette et coll., 2005; Doré et coll., 2001). Dans ces conditions, l’augmentation de charge due aux effets dynamiques est très importante en début de période de dégel. Les déformations se résorbent progressivement jusqu’à la fin du dégel printanier. En milieu municipal, les déformations de la surface associées à la présence de services sous la chaussée ou à la géométrie des intersections peuvent créer des charges dynamiques comparables à celles causées par le gel. La charge dynamique d’un véhicule lourd est fonction de la vitesse de circulation du véhicule, des caractéristiques de sa suspension, de la configuration des essieux et de la pression des pneus (Cebon, 1999).


Objectif spécifique : Ce projet vise à identifier les facteurs relatifs à la condition de la surface de chaussée et à la mécanique des véhicules lourds qui contribuent aux effets dynamiques.


Méthodologie : L’étude comportera les activités suivantes : 1) Revue exhaustive de la littérature traitant de l’incidence des déformations sur le comportement des véhicules et sur la charge dynamique transmise aux chaussées. 2) Modélisation du comportement dynamique des véhicules lourds circulant sur des déformations typiques de chaussées en fin d’hiver. Le modèle mécanique développé dans le cadre du projet « Étude des conséquences de la détérioration de l’uni des chaussées sur le comportement des véhicules et la sécurité des usagers de la route » entrepris en 2003 par les professeurs Doré et Richard dans le cadre d’une subvention FQRNT « action concertée-sécurité routière » sera utilisé pour quantifier la charge dynamique de différentes silhouettes de véhicules lourds munies de différents types de suspensions (pneumatique, hydraulique, lames, autres). 3) Des déformations typiques observées sur les routes au début du printemps ainsi qu’en milieu municipal seront utilisées pour reconstituer des profils théoriques qui seront utilisés pour effectuer une étude paramétrique sur l’effet des déformations sur le comportement dynamique des véhicules sur la chaussée. Étude des forces dynamiques à l’interface pneu-chaussée. Les contraintes transmises aux couches supérieures de la chaussée sont directement fonction des caractéristiques du pneu (structure, pression, charge et géométrie). 4) Les modèles développés dans le cadre de cette étude seront validés par des essais sur la section instrumentée du SERUL. Un véhicule d’essai circulant sur des obstacles simulant différents types de déformations sera utilisé pour les essais.

Sous-thème 2b : Outils de conception et de réhabilitation

Projet 2B-1 : Développement de techniques d'auscultation des chaussées

Deux outils d’auscultation de chaussée connaissent un essor rapide au Canada. Le déflectomètre à masse tombante permet de faire l’analyse structurale de chaussées existantes alors que les profilomètres inertiels permettent la caractérisation de l’uni de la surface des chaussées. Ces outils sont présentement disponibles dans la plupart des provinces canadiennes, tant dans les administrations routières que dans l’entreprise privée. Dans la pratique courante , on utilise  cependant que les fonctions de base de ces outils sophistiqués. À défaut d’outils d’interprétation simples, les fonctions avancées de ces appareils sont rarement utilisés. Le déflectomètre est utilisé pour la détermination de paramètres de bassins de déflection (D0, SCI et BCI) ou pour le rétrocalcul des modules élastiques des couches de la chaussée. Des recherches récentes (Deblois et coll., 2007;
Grenier 2007) ont toutefois démontré que l’analyse dynamique des historiques de chargement et de déflection fournis par l’appareil constituait une approche très prometteuse notamment pour l’analyse des effets saisonniers sur le comportement structural de la chaussée. Le potentiel des profilomètres inertiels est également nettement sous-utilisé puisque ces appareils servent essentiellement à établir un indice d’uni de la surface intégré sur une longueur importante de voie (IRI/100m). Le pseudo-profil enregistré par les profilomètres inertiels constitue une source d’information détaillée permettant l’analyse du la variabilité spatiale et temporelle du comportement fonctionnel (uni) de la chaussée (Doré, 1997; Doré et coll., 2001; Doré et coll., 2002; Fradette et coll., 2005).

Objectif spécifique : Ce projet de recherche vise le développement de méthodes pratiques pour l’analyse et l’interprétation des signaux de déflexion et de profil pour déterminer les l’information sur le comportement saisonnier de la chaussée pertinente à la réhabilitation de la chaussée.


Méthodologie : Le projet implique la réalisation des activités suivantes : 1) Synthèse de l’information disponible dans la littérature sur l’analyse avancée des signaux de déflectomètres et de profilomètres; 2) développement d’indicateurs avancés basés sur l’analyse des historiques de déflexion et sur le filtrage des signaux de profil pour représenter les variations spatiales et temporelles des conditions structurales et fonctionnelles de la chaussée. Les indicateurs considérés pour l’analyse de la déflexion devront permettre de détecter la propension au comportement non-élastique de la structure de chaussée par temps chaud et en conditions de dégel. Les indicateurs considérés pour l’analyse du profil de la chaussée devront permettre d’identifier les problèmes localisés ainsi que la source de variations saisonnières du comportement de la chaussée. 3) suivi du comportement de 10 sites couvrant plusieurs types de sols en contextes rural et municipal en vue de déterminer la capacité des indices à déceler des variations de comportement spatial et temporel (saisonnier).

Projet 2B-2 : Application de méthodes et d'outils mécaniste-empiriques pour la conception et de réhabilitation des chaussées

La plupart des méthodes de conception des chaussées ont été développées en fonction des besoins des grandes administrations routières. Dans la majorité des cas, les approches sont fondées sur des situations de routes à fort débit en milieu “ rural ”. Ces méthodes sont donc généralement mal adaptées aux situations de routes à faible vitesse et/ou à faible débit de circulation ainsi que pour les situations où de nombreuses contraintes, telles les bordures, les regards et les tranchées de service, limitent les déformations admissibles. Le développement d’outils de conception des chaussées considérant, de façon explicite, le contexte d’exploitation des chaussées municipales est une des priorités importante identifiée lors des réunions d’orientation du projet de Chaire industrielle i3C.

Objectifs du projet : L’objectif principal du projet est de mettre au point une méthodologie rationnelle de conception des chaussées adaptée au contexte d’exploitation municipal.


Méthodologie : La méthode de conception projetée permettra la sélection de matériaux et le calcul  des épaisseurs des couches de la chaussée en fonction de divers facteurs. Les facteurs principaux de conception seront le volume de trafic, l’agressivité du climat et la nature des sols en place. Ces paramètres serviront à quantifier les déformations de la chaussée sous sollicitation mécanique et thermodynamique. La réponse obtenue sera alors comparée à une valeur admissible qui, elle, sera fonction des contraintes spécifiques (bordures, regards, intersections, etc.) au site. Le projet abordera trois problématiques spécifiques, soit : le cas des artères municipales qui sont caractérisées par un fort débit de circulation à vitesse lente, par le présence de nombreuses zones d’arrêt (intersections) ainsi que par la présence de corridors à utilisation spécifique (autobus, camionnage, etc.); le cas des rues résidentielles caractérisées par la quasi absence de trafic lourd, et; le cas des chemins municipaux qui, pour leur part, sont caractérisés par des volumes de trafic lourd généralement faibles et par l’absence des contraintes que l’on retrouve en milieu urbain. Le projet proposé continuera les développements entrepris dans le cadre de deux projets de maîtrise (Fauchon et Doré, 2001; Coulombe et coll., 2007). Le projet consistera à 1) mettre à jour l’état des connaissances sur les méthodes de conception en milieu municipal, 2) à améliorer les critères de conception développés dans le cadre des travaux de maîtrise cités, 3) à valider les critères améliorés et la méthode ébauchée (Pierre et coll., 2006), et 4) à développer un logiciel de conception pratique visant la mise en oeuvre de la méthode.


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THÈME 3 : COMPORTEMENT ET PERFORMANCE DES VéHICULES SUR LES CHAUSSÉES

Le comportement des véhicules lourds et leur efficacité sont directement fonction de la qualité de la surface de roulement et particulièrement de son uni. L’uni est un paramètre qui quantifie les variations du profil en long de la chaussée par rapport à un profil fictif parfaitement uniforme. En raison de son incidence sur le confort au roulement, sur la sécurité et sur le coût d’utilisation des véhicules, l’uni est le paramètre qui affecte le plus la qualité du service offert aux usagers de la route. L’uni affecte principalement le confort des usagers de la route mais peut également affecter leur sécurité. L’OCDE
(1984) donne de l’information sur les gammes de longueur d’onde affectant le confort et la sécurité de l’usager et sur les amplitudes acceptables. L’étude spécifie que les ondes courtes et moyennes sont celles qui sont les plus susceptibles d’affecter la sécurité des usagers de la route. La présence de ce type de déformation dans un secteur en pente ou en courbe peut entraîner la perte de contrôle d’un véhicule surtout en conditions d’adhérence réduite durant le période hivernale alors que les déformations sont les plus accentuées. Le rapport souligne également les incidences de l’uni sur la sécurité ainsi que ses conséquences économiques. On y indique que les oscillations de la roue induites par des déformations à courtes longueurs d’ondes peuvent réduire la friction entre le pneu et le revêtement et augmenter le risque de perte de contrôle dans les courbes. On rapporte également les résultats d’études indiquant que les déformations à courtes longueurs d’onde peuvent, dans certaines conditions, augmenter de 30% les distances d’arrêt et doubler le taux d’accidents. Les défauts d’uni ont également des incidences économique et environnementale importantes. Les chaussées déformées contribuent à augmenter les coûts en carburant et les coûts en entretien des véhicules ainsi que l’émission de gaz à effet de serre (OCDE, 1984, Doré et coll., 2006). Cette dernière considération est maintenant incontournable dans un contexte de développement durable
Le soulèvement différentiel au gel durant la saison hivernale est un bon exemple d’un phénomène répandu au Canada qui affecte considérablement le comportement des véhicules. Les déformations résultant de ce phénomène ont pour effet de réduire l’efficacité du transport lourd et d’augmenter les risques d’accidents. Elles ont également pour effet d’augmenter les charges dynamiques en début de période de dégel. Ce thème de recherche est très peu développé à l’échelle internationale. Il y a donc beaucoup à faire pour améliorer les connaissances sur les effets des chaussées dégradées sur le confort et sur la sécurité des usagers, ainsi que sur la productivité du transport de marchandises et sur l’environnement. Un seul projet est proposé sous ce thème. Ce projet en est cependant un d’envergure et à volets multiples qui pourrait être scindé en projets plus spécifiques.

Projet 3-1 : Étude de l'effet des chaussées dégradées sur le comportement des véhicules lourds, l'efficacité du transport et le confort et la sécurité des usagers de la route

Objectif spécifique : Le projet a pour objectif d’améliorer la connaissance sur les phénomènes responsables des déformations de la surface des chaussées et à quantifier l’incidence de ces déformations sur le comportement des véhicules. Le projet permettra ainsi d’établir les conséquences de ces déformations sur la santé et la sécurité des usagers de la route, sur l’efficacité du transport de marchandise et sur l’émission de gaz à effets de serre. Il vise également à déterminer des balises rationnelles pour la révision des seuils de déficience des chaussées.


Méthodologie : Le projet proposé comporte les étapes principales de réalisation suivantes : Revue exhaustive de la littérature traitant des mécanismes de déformation de la chaussée et de l’incidence de ces déformations sur le comportement des véhicules et l’efficacité du transport puis sur la santé et la sécurité des usagers de la route. Caractérisation des déformations typiques observées sur les routes canadiennes. L’information proviendra des bases de données du C-SHRP, du MTQ ainsi que de celle constituée dans le cadre du projet 2A-1 sera la source principale d’information utilisée pour caractériser les déformations typiques (amplitudes et longueurs d’ondes) observées sur nos routes et associer les divers types de déformation à des causes et des mécanismes spécifiques (consolidation ou soulèvement différentiel, fissuration, etc.). Des procédés de filtrage et d’analyse spectrale des profils seront utilisés pour mener à bien cette étape du projet. Les logiciels « Roadruf » et « PROFAN » (disponibles à l’Université Laval) seront les principaux outils d’analyse des profils de chaussées. Des relevés additionnels seront effectués dans le cadre du projet pour combler les lacunes des bases d’information existantes. Ces relevés seront alors réalisés à l’aide de profilomètres inertiels disponibles chez nos partenaires (MTQ et Qualitas).
Les différents types de déformation observés seront utilisés pour reconstituer des profils théoriques qui seront utilisés pour effectuer une étude paramétrique sur l’effet des déformations sur le comportement des véhicules et sur les usagers de la route. Des simulations seront faites à l’aide d’un modèle mécanique qui sera capable d’évaluer les paramètres critiques (oscillation et accélération de l’habitacle, pression de contact du pneu, etc.) de comportement du véhicule circulant sur les surfaces déformées. Les modèles seront par la suite validés en utilisant le simulateur de route du Ministère des
Transports du Québec. Cet équipement, qui permet de reproduire les effets des déformations de la chaussée à l’aide de quatre vérins hydrauliques commandés par ordinateur, sera mis à notre disposition dans le cadre de la contribution en nature proposée par le MTQ. Le projet donnera donc des balises techniques qui supporteront une éventuelle révision des seuils de déficience de la condition des chaussées. Les connaissances acquises dans le projet contribueront notamment à améliorer la capacité à détecter et à évaluer les situations dangereuses.

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